用于锯齿状风力涡轮机叶片的分隔板布置

用于锯齿状风力涡轮机叶片的分隔板布置

技术领域

本发明涉及用于具有后缘锯齿的风力涡轮机叶片的分隔板布置。

背景技术

风能由于其清洁、环保的能源生产而日益受到人们的欢迎。现代风力涡轮机的转 子叶片通过使用复杂的叶片设计来捕获动的风能，以使效率最大化。但是，已经出现有关风 力发电厂运行噪声的投诉。因此，越来越需要降噪装置和相关的叶片设计。

为此，现代风力涡轮机叶片有时沿叶片后缘设置有锯齿，以减少叶片后缘噪声和/ 或提高风力涡轮机叶片效率，如在EP1314885中可见的。虽然这种锯齿的降噪特性是有利 的，但仍存在一些缺点。通常，到正确的锯齿几何形状是降噪性能与结构要求之间的权 衡。这可能导致需要厚的后缘区域，特别是在锯齿基部附近。本发明已经发现这种增加的厚 度变成附加噪声的潜在来源。

参见图5，在100处示出了一组现有技术锯齿的放大视图，锯齿100包括布置在风力 涡轮机叶片的后缘和顶点或尖端104处的基端102。如上所述，本发明人已经发现，这种锯齿 设计在某些情况下本身就是运行噪声的来源。因此，需要优化现有技术的锯齿设计，从而实 现增强的降噪。

US 2012／027590 A1公开了一种风力涡轮机叶片，其设置有布置在风力涡轮机叶 片的表面上使得它们形成锯齿的降噪特征。一些实施例包括第一降噪特征和第二降噪特 征。US 2012／027590 A1没有公开这些特定特征的任何特定形状、方向或尺寸。

因此，本发明的目的是提供一种具有改进的后缘配置的风力涡轮机叶片。

本发明的另一目的是提供一种具有锯齿的风力涡轮机叶片设计，该设计在运行期 间提供改进的降噪。

特别地，本发明的目的是减轻由布置在风力涡轮机叶片上的锯齿引起的噪声。

发明内容

因此，提供一种风力涡轮机叶片，其具有成型轮廓，所述成型轮廓包括压力侧和吸 力侧、以及具有弦的前缘和后缘，所述弦具有在所述前缘和所述后缘之间延伸的弦长，风力 涡轮机叶片在根端与尖端之间沿叶展延伸，风力涡轮机叶片包括沿叶片的后缘的至少一部 分设置的多个锯齿，

其中，风力涡轮机叶片进一步包括一个或多个分隔板，每个分隔板布置为至少部分地 延伸到相邻锯齿之间的空间中。

令人惊讶的是，使相对厚的锯齿基部区域装配有至少一个分隔板是简单而有效的 解决方案，以减轻周期性相干湍流结构的形成与相互作用。这些通常从足够厚的后缘流出， 并且可能变成附加噪声的来源。优选地，分隔板相对薄，具有2.0 mm或更小的厚度，更优选 地1.5 mm或更小，最优选地1.0 mm或更小。

优选地，分隔板具有小于相邻锯齿的至少一部分的厚度的厚度。还发现，分隔板布 置的降噪效果允许锯齿的较厚基部区域。这导致对于锯齿和相关材料要求来说提高了设计 自由度。例如，提供希望的边缘方向弹性的不太硬的材料可以用于锯齿，通过以厚度增加这 种方式补偿挠性。使用成本较低的材料，这可以减少材料成本。此外，增加了装置的坚固性， 降低了潜在的维护成本，同时仍然保持了布置的降噪特性。

根据一个有利实施例，一个或多个分隔板布置在相邻锯齿之间，并且优选地连接 到相邻锯齿上。分隔板可以例如连接在第一锯齿的第一侧壁与第二锯齿的第二侧壁之间。

在另一有利实施例中，锯齿的侧壁具有侧壁厚度，并且分隔板的板厚度小于侧壁 厚度。侧壁厚度与板厚度的比可以例如是至少2:1，或至少5:2，或至少3:1。

分隔板可以具有大致均匀的厚度。

有利地，分隔板应该具有三角形、平行四边形或风筝形几何形状，提供与规则锯齿 的倾斜后缘相同或类似的原理，以保持布置的降噪特性。优选地，它延伸到不超过锯齿齿的 总长度的一半。分隔板可以尽可能的薄，因为它受与锯齿相同的结构要求的约束。

在优选实施例中，分隔板包括延伸到相邻锯齿之间的所述空间中的顶点，优选锐 角顶点。已经发现，这种布置导致特别有效的降噪。有利地，锐角可以大致与相应锯齿的顶 点处的锐角相同。

根据另一实施例，锯齿和分隔板限定大致彼此平行定向的各个平面。这意味着平 面或者彼此平行或者以彼此成不大于15°，优选不大于10°的角布置。在锯齿朝向它们的顶 端逐渐变细的情况下，分隔板的平面优选地与锯齿的顶面和底面，即，锯齿的相应吸力侧和 压力侧成角度地定向，使得由锯齿顶面限定的平面与分隔板的平面之间的角等于由锯齿底 面限定的平面与分隔板的平面之间的角。

根据另一实施例，锯齿包括接近叶片后缘的基部和远离叶片后缘的顶点，从基部 的中点延伸到顶点的概念线限定锯齿的高度H，并且其中，至少一个分隔板延伸到相邻锯齿 之间的空间中至所述后缘锯齿高度H的60%或更小，优选50%或更小的距离。本发明人已经发 现，分隔板有利地具有足以破坏周期性相干湍流结构的形成的长度，即，大于这种结构的波 长。已经发现上述距离满足这一要求。优选地，一个或多个分隔板延伸到相邻锯齿之间的空 间中至所述锯齿高度H的50%或更小，如40%或更小，或30%或更小的距离。

根据优选实施例，所述锯齿布置在风力涡轮机叶片上的气流的入射处，即，与叶片 后缘处的叶片上的气流方向成角度。在一个方面中，所述锯齿朝向风力涡轮机叶片的压力 侧成角度。优选地，所述锯齿以与气流方向成0至45度之间，优选1至25度之间的角与风力涡 轮机叶片上的气流方向成角度。这可以有利地增加叶片的升力。

还优选的是，分隔板布置在风力涡轮机叶片上的气流的入射处。在一个方面中，分 隔板朝向风力涡轮机叶片的压力侧成角度。优选地，分隔板以与气流方向成0至45度之间， 优选1至25度之间的角与风力涡轮机叶片上的气流方向成角度。

根据一个实施例，所述分隔板与所述锯齿一体地形成。这可以通过一体地模制锯 齿和分隔板来实现。

根据另一实施例，所述分隔板设置为附加元件，所述附加元件布置为附接到所述 锯齿上。在一个实施例中，所述分隔板使用粘结和/或卡扣或夹的互锁连接附接到所述锯齿 上。在另一实施例中，锯齿可以包含一个或多个狭缝，分隔板的一部分可以插入到所述狭缝 中，用于后续的紧固。

优选地，分隔板的厚度是2.0 mm或更小，优选1.5 mm或更小，如1.0 mm或更小。已 经发现，与锯齿相比，分隔板可以相对较薄。

根据优选实施例，分隔板包括平行四边形表面，优选两个相反的平行四边形表面。 更优选地，分隔板包括两个相反的钻石形表面。因此，被例如小于2.0 mm的厚度分开的分隔 板的顶面和底面形状像平行四边形或钻石形。这种设计的优点在于，它能够容易且有效地 将分隔板附接在相邻锯齿之间，同时提供所希望的降噪。

优选的是，钻石形表面的锐角延伸到相邻锯齿之间的空间中。

根据又一实施例，分隔板包括风筝形表面，优选两个相反的风筝形表面。根据替代 实施例，分隔板包括三角形表面，优选两个相反的三角形表面。

根据优选实施例，分隔板具有均匀的厚度。另外，锯齿可以具有大致均匀的厚度。 锯齿可以例如由附接到叶片上的板，或夹在压力侧壳体部分与吸入侧壳体部分之间的板形 成。替代地，锯齿可以包括在它们的相应顶端处朝向彼此逐渐变细的顶面和底面。

根据另一实施例，分隔板包括一个或多个有利地例如从分隔板的远端部分沿锯齿 高度延伸的狭缝和/或孔。发现本实施例减少了本发明布置上的载荷，因为与现有技术锯齿 相比附加面积增加。有利地，分隔板的狭缝具有0.2 mm至2.0 mm的宽度。

根据另一实施例，分隔板包括梳状结构。优选地，梳状结构是刚性结构。优选地，分 隔板由塑料材料形成。

在另一方面中，本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片的锯齿状板，其中，所述板布 置为附接到叶片的后缘上，以在叶片的后缘处形成多个锯齿，

其中，所述板进一步包括一个或多个分隔板，每个分隔板布置为至少部分地延伸到相 邻锯齿之间的空间中。

在又一方面中，本发明涉及包括至少一个本发明的风力涡轮机叶片的风力涡轮 机。

如本文所使用的，术语“分隔板”是指板状组件，用于控制锯齿之间和/或锯齿附近 的空气动力流动。通常，分隔板在其整个长度宽度范围上具有均匀的厚度。在一些实施例 中，分隔板可以包括刚性板。

如本文所使用的，术语“钻石形”是指具有菱形形状的表面，也称为等边平行四边 形。另外，术语“风筝形”是指具有四边形的表面，所述四边形的四个侧边可以被分成两对彼 此相邻的等长侧边。

如本文所使用的，大致彼此平行定向的平面是指或者彼此平行或者以不大于15°， 优选彼此不大于10°，最优选彼此不大于5°的角布置的平面。

具体实施方式

现在将参考附图，仅通过示例描述本发明的实施例，其中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了根据本发明的风力涡轮机叶片的示意图；

图3示出了图2的叶片的翼型轮廓的示意图；

图4示出了从上面和从侧面看的图2的风力涡轮机叶片的示意图；

图5展示了一组后缘锯齿；

图6示出了后缘锯齿和本发明的分隔板布置的俯视图；

图7示出了后缘锯齿和本发明的分隔板布置的另一实施例的俯视图；

图8示出了后缘锯齿和本发明的分隔板布置的局部透视图；

图9示出了包括锯齿的后缘板和本发明的分隔板布置的局部透视图；以及

图10是根据本发明的分隔板的一个实施例的俯视图。

应该理解，本发明不同实施例所共有的元件在附图中设置有相同的参考符号。

图1展示了根据所谓的“丹麦概念”的常规的现代迎风式风力涡轮机2，其具有塔架 4、机舱6以及具有大致水平的转子轴的转子。转子包括毂部8和从毂部8径向延伸的三个叶 片10，每个叶片具有最接近毂部的叶片根部16和最远离毂部8的叶片尖端14，叶片在根部16 与尖端14之间沿叶展方向延伸。转子具有用R表示的半径。

图2示出了风力涡轮机叶片10的示意图。风力涡轮机叶片10具有常规的风力涡轮 机叶片的形状，并且包括：最接近毂部的根部区域30、最远离毂部的成型或翼型区域34、以 及位于根部区域30与翼型区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前缘18和后缘20，当叶片 安装在毂部上时，前缘18面向叶片10的旋转方向，并且后缘20面向前缘18的相反方向。沿叶 片的后缘20的一部分设置后缘锯齿21的阵列。通常，风力涡轮机叶片10上的空气流沿通常 地横向或弦向方向从前缘18延伸到后缘20。虽然图2中的锯齿被描绘为沿叶片的中部布置， 但是应该认识到，锯齿可以布置为例如更靠近叶片10的尖端，或者它们可以沿例如叶片10 的整个翼型区域34布置。

翼型区域34（也称为成型区域）具有关于产生升力方面的理想的或近乎理想的叶 片形状，而根部区域30由于结构方面的考虑具有大致圆形或椭圆形的横截面，例如使之更 容易和更安全地将叶片10安装到毂部上。根部区域30的直径（或弦）一般沿整个根部区域30 是恒定的。过渡区域32具有从根部区域30的圆形或椭圆形形状40向翼型区域34的翼型轮廓 50逐渐变化的过渡轮廓42。过渡区域32的弦长一般随着距毂部的距离r的增加而大致线性 增加。

翼型区域34具有翼型轮廓50，翼型轮廓50具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延 伸的弦。弦的宽度随着距毂部的距离r的增加而减小。

应注意到，叶片的不同区段的弦通常不位于共同的平面中，因为叶片可能扭转和/ 或弯曲（即，预弯），从而提供具有相应地扭转和/或弯曲的线路的弦平面，这是最常见的情 况，以补偿取决于距毂部的半径的叶片的局部速度。

图3示出了以各个参数描绘的风力涡轮机的典型叶片的翼型轮廓50的示意图，这 些参数一般用来限定翼型的几何形状。翼型轮廓50具有压力侧52和吸力侧54，在使用过程 中，即在转子的旋转过程中，压力侧和吸力侧通常分别面向迎风（或逆风）侧和背风（或顺 风）侧。翼型50具有弦60，弦60具有在叶片的前缘56与后缘58之间延伸的弦长c。翼型50具有 厚度t，其定义为压力侧52与吸力侧54之间的距离。翼型的厚度t沿弦60变化。与对称式轮廓 的偏离由拱形线62表示，拱形线62是穿过翼型轮廓50的中线。该中线可以通过绘制从前缘 56到后缘58的内接圆而得到。该中线遵循这些内接圆的中心，并且与弦60的偏离或距离称 为拱高f。也可以通过使用称为上拱高（或吸力侧拱高）和下拱高（或压力侧拱高）的参数来 限定不对称性，其中上拱高和下拱高分别定义为从弦60到吸力侧54和压力侧52的距离。

翼型轮廓通常通过下列参数来表征：弦长c、最大拱高f、最大拱高f的位置d_f、最大 翼型厚度t（其为沿中位拱线62的内接圆的最大直径）、最大厚度t的位置d_t、以及鼻部半径 （未示出）。这些参数一般限定为与弦长c之比。因此，局部相对叶片厚度t/c给定为局部最大 厚度t与局部弦长c之间的比。另外，最大压力侧拱高的位置d_p可以用作设计参数，当然，最 大吸力侧拱高的位置也可以用作设计参数。

图4示出了叶片的一些其他几何参数。叶片具有总叶片长度L。如图2所示，根端位 于位置r = 0处，并且尖端位于r = L处。叶片的肩部40位于位置r = L_w处，并且具有肩宽W， 其中肩宽W等于肩部40处的弦长。根部的直径限定为D。另外，叶片设置有预弯曲，预弯曲限 定为Δy，其对应于相对于叶片的俯仰轴线22的平面外偏转。

风力涡轮机叶片10通常包括由纤维加强的聚合物制成的壳体，并且一般制造为沿 着结合线28胶接在一起的压力侧或逆风侧壳体部件24和吸力侧或顺风侧壳体部件26，其中 结合线28沿着叶片10的后缘20和前缘18延伸。风力涡轮机叶片通常由纤维加强塑料材料， 例如玻璃纤维和/或碳纤维形成，这些材料布置在模具中并且用树脂固化以形成实心结构。 当代的风力涡轮机叶片常常可以超过30或40米长，具有数米长的叶片根部直径。风力涡轮 机叶片通常为了相对较长的寿命并且为了承受显著的结构载荷和动态载荷而设计。

参见图5，示出了锯齿状后缘21的多个现有技术锯齿100的放大视图。锯齿100包括 布置在风力涡轮机叶片10的后缘20处的基端102和沿叶片后缘20的顺风方向延伸的尖端 104。从基端102的中点延伸到顶点或尖端104的概念线限定锯齿的高度H。所示的锯齿大致 是平面的，但是应该理解，锯齿可以在深度或厚度上变化，特别是具有逐渐变细或倒角的边 缘。锯齿100被示为具有大致对应于等腰三角形的轮廓，但是应该理解，可以使用其它锯齿 形状轮廓，例如，弯曲或波浪形轮廓、钝锯齿状边缘等。

在图6所示的实施例中，锯齿100a、100b、100c设置有分隔板106a、106b，每个分隔 板具有钻石形表面。分隔板106a、106b中的每一个具有延伸到相邻锯齿100a、100b、100c之 间的所述空间中的锐角顶点114a、114b，以减轻具有锯齿状后缘叶片的风力涡轮机运行期 间的噪声。

图7示出了本发明的分隔板布置的另一实施例。此处，锯齿100a、100b、100c设置有 分隔板106a、106b，每个分隔板具有风筝形表面。因此，分隔板106a、106b中的每一个具有延 伸到相邻锯齿100a、100b、100c之间的所述空间中的钝角顶点116a、116b。

正如在图8的透视图中最佳所见的，锯齿100a、100b和分隔板106a、106b、106c限定 大致彼此平行定向的各个平面。优选地，分隔板布置在两个相邻锯齿的各自之间。锯齿的顶 面118a、118b和相应底面（未示出）朝向锯齿顶端逐渐变细。分隔板106a、106b、106c的平面 定向为与锯齿的顶面118a、118b和底面（即，锯齿的相应吸力侧和压力侧）成小角度，使得由 锯齿顶面限定的平面与分隔板的平面之间的角等于由锯齿底面限定的平面与分隔板106a、 106b、106c的平面之间的角。

在图9所示的实施例中，锯齿100a、100b和分隔板106a、106b、106c设置为后缘板 108的一部分，用于附接到风力涡轮机叶片10的后缘20上。板108包括用于附接到叶片10上 的基部110，锯齿100a、100b布置为与基部110成一定角度，使得锯齿100布置在风力涡轮机 叶片10上的空气流的入射处。风力涡轮机叶片上的空气流的方向通常由箭头F表示。

虽然分隔板106可以作为锯齿100的一部分一体地形成，例如，作为模制工艺的一 部分，但在其他方面，分隔板106可以设置为可以附接到锯齿100上的单独的附加元件。附加 件可以设置为可以从锯齿的端部滑到锯齿上的开槽元件，并且可以基于设置在锯齿和附加 件上的互锁元件，使用任何合适的方式，例如粘接和/或机械夹或卡扣连接固定到锯齿上。

本发明的分隔板可以包括一个或多个狭缝和/或孔。图10中示出了其示例性实施 例，其中，分隔板106包括流向梳状刚性结构112。已经发现，这减少了运行期间布置上的负 载。

本发明不限于本文中所描述的实施例，而是可以在不脱离本发明范围的情况下修 改或调整。分隔板的形状可以例如采取许多不同的形状，如平的或光滑的远端部分。另外， 分隔板可以设计为具有例如两个或三个顶点（或更小的锯齿），而不是所示的一个顶点。